5G网络架构和关键技术

    曹诚

    摘要：2014年，IMT-2020（5G）推进组发布了第一份白皮书，第五代移动通信系统被提上日程，有望在2020年完成整个网络与系统的部署。未来的数据流量，网络连接设备总量将会发生爆炸式增长，业务需求将会发生颠覆性变化，物联网与移动互联网将会相互融合，为人们提供多元化服务，如车联网，智能家居，智慧医疗，工业监测系统，超高清3D时频等。文章介绍实现以上高速率，靠可靠性，低时延，智能化，功能多元化的5G网络实现的网络架构以及关键技术，如大规模MIM0，软件定义网，自组网技术等。

    关键词：56；超密集异构网络；D2D；MIM0；SDN；网络架构；扁平化

    1 5G网络架构

    5G网络的构建需要达到超高速率，大吞吐量，超高可靠性，超低延时等指标，来为用户提供最佳的体验。在整个网络的部署当中，5G网络的部署应该具有以下特性：具有灵活的网络架构以及多种接口来支持不同面向多种业务的接入，在链路性能上能够用多跳的方式进行网络覆盖以及实现基站的Mac层和用户的直通，同时整个网络能够根据环境以--及业务需求来自组织，自配置，智能化的将网络最优化。

    5G核心网的关键技术以及网络架构中探讨到：通过采用全IP方式以及纳米核心网的新型网络架构能够进行网关的无缝切换。为了满足5G网络能够随时随地接入网络的要求，对于5G网络构建的重要指标是能够灵活扩展，因此采用扁平化IP网络架构，通过分布云的移动核心信息传递功能，分布式软件架构和逻辑网关以及网络虚拟化等技术，将垂直的网络架构演进成分布式水平网络架构。从另一层面上来看，通用扁平化架构就是将无线接口技术与核心网的演进相分离，从而借助接口实现即插即用的效果，即多种无线接入技术融合到统一的核心网当中，从而使网络具有更好的灵活性以及拓展性。对于5G的核心网中涉及到的主要技术有SDN（software defined network），集中式网络控制器将从网络分离后数据转发平面上的流量分配给网络元件，实现拓扑感知，路由决策。另一个技术是网络功能虚拟化，即：将核心网设备转移到高新能服务器，同时将网元功能移植到虚拟平台。

    2 5G关键技术

    2.1 超密集异构网络

    5G网络是一种利用宏站与低功率小型化基站（MicroBs，Pico-BS，Femto-BS）进行覆盖的融WiFi，4G，LTE，UMTS等多种无线接入技术混合的异构网络。随着蜂窝范围的逐渐减小，使得频谱效率得到了大幅提升。随着小区覆盖面积的变小，最优站点的位置可能无法得到，同时小区进一步分裂难度增加，所以只能通过增加站点部署密度来部署更多的低功率节点。超密集异构网络可以使功率效率，频谱效率得到大幅提升，但是也不可避免的引入了一些问题。从物理层这个角度看需要多速率接入要求，如低速的传感器网络到高速率的多媒体服务。从异构网络这个角度，超密集异构网络需要一种能够具有可扩展的帧结构的空中接口来满足不同频段频率的接入。超密集异构网络还需要根据终端的使用情况以及终端所处的环境进行大量的预测，并在网络状态，信道环境，需求量突变前进行有效的前摄管理。

    2.2 大规模MIMO技术

    大规模MIMO运用多天线技术，大规模天线阵列可以通过天线的空分特性（具有高分辨率的空间自由度），使相同时频资源能同时服务若干用户，能够有效的频谱效率，增加传输的可靠性。Marzetta提出每个基站布置超出现有天线数数量级超多天线用于时分复用条件下，发现可以在同一时频资源上服务几个用户。多天线技术的波束成型可以限制波束在很小的范围内，因此可以降低干扰从而有效降低发射功率。多天线技术带来了更多的空间自由度，因此使信道的反应更加精准，从而降低了各种随机突发情况信道性能的降低。由于多天线占用空间太大，实现的复杂度太高，一般基站多采用4天线技术。王海荣，王玉辉等人提出由于同一小区内导频正交，但相邻小区间导频进行复用会引起导频污染，制约了多天线技术的瓶颈，因此他们提出一种上行导频功率控制法，将通常的导频发射时隙分为两段，使交叉增益相对较大的导频发射时隙错开，从而降低导频污染。由于大规模天线技术中将会出现低功率小型天线以及大量的低功率放大器，因此大规模的天线部署的拓扑结构，实际信道之间的正交性程度必须被确定，以及如何有效的解决天线互耦合等难题。

    由于5G的超密集异构网络的应用，在小区范围缩小的情况下肯定不需要大规模天线技术的应用，但是大规模MIMO的应用可能会带来空间零陷（spatial nulling）以及避免干扰等优点，所以研究大规模MIM0与小区（small cell）相互补的模型也是一个要解决的问题。

    2.3 FBMC

    FBMC的提出是为解决OFDM18载波旁瓣较大，在各载波不能严格同步时相邻载波将会产生较大干扰，在较低频段不能支持需要连续高达1G带宽等高速率业务需求等问题提出的基于滤波组的多载波技术（filter bank multicarrier）。原理是在发端通过合成滤波组来实现多载波调制，在收端通过分析滤波组实现多载波解调。Jean Baptiste Doré提到在CS（信道状态信息channel state information）处于理想情况下，与OFDM相比FBMC具有更高的能量效率，但在CSI不理想的情况下码间干扰（ISI）以及载波间干扰（ICI）将会使FBMC的性能输于OFDM，提出在MIMO情景下的特殊的波束成型来提升FBMC性能。Jean-Baptiste Doré在另一篇文章中提到当导频序列分散在片段频谱上，或者没有分布于每个载频，一种时域上的插值（根据导频在信道上的值进行反傅里叶变换）处理将会可以弥补这一缺陷使信道响应不会因为载频而受到影响。

    2.4 毫米波通信

    毫米波频段一般为30-300GHZ，毫米波通信即使在考虑各种损耗与吸收的情况下，大气窗口也能为我们提供135GHz的带宽，在频谱资源紧缺的情况下，采用毫米波通信能够很有效的提升通信容量。由于5G的超密集异构网络，基站间距在不到200米的情况下，由于毫米波具有波束窄的特点，具有很强的抗干扰能力，并且空气对毫米波的吸收，会减小对相邻基站间的干扰。

    3 结语

    第五代通信系统将会在终端，网络，无线接入等方面进行融合及创新，具备众多优点，首先5G网络以人为本，能够为我们提供高速率，高可靠性，低时延的服务，让我们享受流媒体，超高清视频等业务，另一方面，万物互联这个角度来看，5G网络将是一艘巨大的航母，首先5G网络具有很灵活的可扩展的网络架构，能够根据需求进行组网，同时5G网络能够涵盖不同行业用户以及开展多种业务类型，如智慧医疗，农业监测，工业设备监测等。最后5G网络将会比现在通信系统更加绿色，具有低功耗，节能的特点。